После согласования плана действий российский флот под всеми парусами подошёл к южному краю турецкий линии, а затем, развернувшись, начал занимать позиции против турецких судов. Турецкий флот открыл огонь в 11:30-11:45, российский — в 12:00. Манёвр не удался трём российским кораблям: Европа проскочил свое место и был вынужден развернуться и встать позади Ростислава, Три Святителя обогнул второй турецкий корабль с тыльной стороны, прежде чем смог стать в строй и был по ошибке атакован кораблём Три Иерарха, а Св. Януарий был вынужден развернуться прежде, чем стал в строй.
Св. Евстафий под командованием Спиридова начал дуэль с флагманским кораблем турецкой эскадры Реал Мустафа под командованием Гассан-паши, а затем попытался взять его на абордаж. После того, как горящая грот-мачта Реал Мустафы упала на Св. Евстафий, тот взорвался. Через 10—15 минут взорвался и Реал Мустафа. Адмирал Спиридов и брат командующего Фёдор Орлов покинули судно ещё до взрыва. Также спасся и капитан Св. Евстафия Круз (англ. Kruse). Спиридов продолжил командование с корабля Три Святителя.
К 14:00 турки обрубили якорные канаты и отступили в Чесменскую бухту под прикрытие береговых батарей.
6—7 июля, бой в Чесменской бухте
В Чесменской бухте турецкие корабли образовали две линии из 8 и 7 линейных кораблей соответственно, остальные суда заняли позицию между этими линиями и берегом.
В течение дня 6 июля российские суда обстреливали турецкий флот и береговые укрепления с большого расстояния. Из четырёх вспомогательных судов были сделаны брандеры.
В 17:00 6 июля бомбардирский корабль Гром стал на якорь перед входом в Чесменскую бухту и начал обстрел турецких судов. В 0:30 к нему присоединился линейный корабль Европа, а к 1:00 — Ростислав, в кильватере которого пришли брандеры.
Европа, Ростислав и подошедший Не тронь меня образовали линию с севера на юг, вступив в бой турецкими кораблями, Саратов стоял в резерве, а Гром и фрегат Африка атаковали батареи на западном берегу бухты. В 1:30 или немного раньше (в полночь, согласно Эльфинстону), в результате огня Грома и/или Не тронь меня один из турецких линейных кораблей взорвался из-за перехода пламени с горящих парусов на корпус. Горящие обломки от этого взрыва забросали другие корабли в бухте.
Серебряная монета в 25 руб. 1996 г. с изображением Чесменского сражения и адмирала Спиридова
После взрыва в 2:00 второго турецкого корабля российские корабли прекратили огонь, а в бухту вошли брандеры. Два из них под командованием капитанов Гагарина и Дагдейла (англ. Dugdale) туркам удалось расстрелять (согласно Эльфинстону, расстрелян был только брандер капитана Дагдейла, а брандер капитана Гагарина отказался идти в бой), один под командованием Маккензи (англ. Mackenzie) сцепился с уже горевшим кораблем, а один под командованием лейтенанта Д. Ильина сцепился с 84-пушечным линейным кораблём. Ильин поджёг брандер, а сам вместе с командой покинул его на шлюпке. Корабль взорвался и поджёг большинство оставшихся турецких кораблей. К 2:30 взорвались ещё 3 линейных корабля.
картина Якоба Филиппа Гаккерта «Эпизод морского боя». На картине изображён взрыв турецкого корабля
Около 4:00 российские корабли послали шлюпки с тем, чтобы спасти два ещё не горевших крупных судна, однако вывезти удалось только одно из них — 60-пушечный Родос. С 4:00 до 5:30 взорвалось ещё 6 линейных кораблей, а в 7-м часу — одновременно 4. К 8:00 бой в Чесменской бухте был завершён.
